郝廣濤 韓學(xué)山 梁 軍 梁正堂

（山東大學(xué)電網(wǎng)智能化調(diào)度與控制教育部重點實驗室 濟南 250061）

1 引言

拓撲分析是電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的核心，是狀態(tài)估計、潮流計算、安全分析和運行控制等的基礎(chǔ)[1-4]。受節(jié)能減排及電力市場解除管制政策的驅(qū)使，可再生能源發(fā)電以集中、分布和微網(wǎng)等形式并入電網(wǎng)，從而使電網(wǎng)產(chǎn)生雙向潮流[5-9]。為了使整個電網(wǎng)安全、可靠且最大化地消納可再生能源，必須實施全局統(tǒng)籌[10-13]，因而就必須對電網(wǎng)進行全景拓撲分析。

全景電網(wǎng)拓撲涵蓋了發(fā)、輸、配和用電壓等級的電網(wǎng)，由廠站（發(fā)電廠和變電站）和網(wǎng)絡(luò)共同組成。電網(wǎng)拓撲分析有諸多研究，如文獻[14,15]分別采用廣度優(yōu)先和深度優(yōu)先的搜索方法對廠站和網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一進行拓撲分析；隨后，文獻[16,17]又提出了鄰接矩陣的方法；接著，文獻[18-23]為降低內(nèi)存、提高計算效率，又進行了更深入的研究。然而，這些研究都是以拓撲信息集中管理為前提進行的，面對全景電網(wǎng)的拓撲，由于信息分散的管理方式，使上述集中式方法無法直接使用。相應(yīng)的，同步相量測量單元（Phasor Measurement Unit, PMU）引導(dǎo)的電網(wǎng)廣域量測系統(tǒng)（Wide-Area Measurement System,WAMS）日益完善和普及[24]，可實現(xiàn)廠站拓撲運行狀態(tài)的過程化可觀測，并可通過廣域通信網(wǎng)對有輸電元件連接的廠站進行信息協(xié)調(diào)[25]，這也是全景電網(wǎng)拓撲分析的基礎(chǔ)。

在此背景下[6,26]，本文提出了分散協(xié)調(diào)的MAS與黑板模型結(jié)合的全景電網(wǎng)拓撲分析。首先，在文獻[27]的基礎(chǔ)上，提出了廠站MAS拓撲分析方法，使各廠站不僅能夠獨立、并行且異步地實現(xiàn)各自拓撲分析，而且具備廠站間拓撲交互的能力；然后，基于黑板模型，提出了網(wǎng)絡(luò)拓撲的協(xié)調(diào)和通信規(guī)則，從而實現(xiàn)全景電網(wǎng)拓撲分析。

2 MAS的廠站拓撲分析

文獻[27]提出了基于開關(guān)路徑函數(shù)集的新型廠站拓撲分析方法，其核心是將廠站全連通矩陣非對角元素表示為相應(yīng)開關(guān)支路狀態(tài)的函數(shù)，該函數(shù)可以離線形成、在線更新，快速得到全連通矩陣的值。

本文以該算法為基礎(chǔ)，提出了廠站的 MAS拓撲分析方法，使廠站不僅能夠獨立自主地實現(xiàn)本地拓撲分析，而且具備廠站間拓撲通信和協(xié)調(diào)的能力。

2.1 廠站拓撲分析

依據(jù)文獻[27]有

（1）全連通矩陣中非對角元素 aij的值等于點邊無向圖中電氣節(jié)點i與節(jié)點j之間所有m條路徑的廣義布爾加

（2）式（1）中的每一條路徑vk值為該路徑上所有支路（設(shè)l條）狀態(tài)的廣義布爾乘

以圖1中典型一臺半斷路器為例，說明上述原理。

圖1 典型一臺半斷路器接線形式及其對應(yīng)點邊圖Fig.1 Typical one and a half breakers connection andthe corresponding node-branch diagram

在不考慮開關(guān)具體開合狀態(tài)的前提下，圖 1a可以映射成圖1b點邊無向圖的形式。以表示第 i條開關(guān)支路的實際狀態(tài)，當(dāng)開關(guān)處于合位時，CBi=1；當(dāng)開關(guān)處于開位時，CBi=0。那么，根據(jù)式（1）和式（2）結(jié)論，可以得到全連通矩陣的函數(shù)表示形式

式中，F(xiàn)(i,j)為節(jié)點i與節(jié)點j之間的開關(guān)函數(shù)，表達式如附錄所示。由于是對角陣，只列出上三角元素。

當(dāng)觀測到某時刻開關(guān)狀態(tài)

將其代入式（3）就可以快速得到全連通矩陣

對式（5）采用行掃描法[28]就可以確定電氣節(jié)點 1、3、4、6為一連通片，2、5、7、8為一連通片，每一連通片映射為一邏輯節(jié)點，從而完成廠站拓撲分析。

2.2 MAS的廠站拓撲分析

由 2.1節(jié)算法可以看出，廠站拓撲分析由兩個簡單任務(wù)完成：第一，廠站 PMU將各個開關(guān)狀態(tài)按一定采集間隔傳送至廠站監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫；第二，廠站監(jiān)控中心對觀測數(shù)據(jù)進行全連通矩陣計算，形成相關(guān)映射表等工作。

廠站拓撲分析完成后，由于各個廠站拓撲信息之間相對獨立，因此需要廠站間拓撲協(xié)調(diào)，才能完成網(wǎng)絡(luò)拓撲分析。

為了既能使廠站內(nèi)拓撲分析的兩個任務(wù)完成明確化，同時又具有廠站間拓撲協(xié)調(diào)的能力，依據(jù)MAS任務(wù)分解、協(xié)調(diào)的能力[29]，結(jié)合2.1節(jié)的方法，本文提出MAS的廠站拓撲分析方法。

對于廠站拓撲分析的第一個任務(wù)來說，由于反應(yīng)型Agent能夠依據(jù)提前設(shè)定的間隔快速捕捉目標(biāo)狀態(tài)，無需學(xué)習(xí)和邏輯推理[30]，因此，可以用于完成定時采集開關(guān)、刀閘等元件的運行狀態(tài)并具有將數(shù)據(jù)傳送至廠站監(jiān)控中心的功能，本文稱其為智能監(jiān)視代理Monitor Agent（簡記為MAgent）。

對于廠站拓撲分析的第二個任務(wù)以及廠站間拓撲協(xié)調(diào)來說，由于認知型Agent能夠感知外部環(huán)境，與外部環(huán)境進行交互，在交互過程中進行邏輯推理[31]，因此，作為廠站監(jiān)控中心代理，用于獲取MAgent采集數(shù)據(jù)、拓撲計算，與其他廠站進行協(xié)調(diào)，本文稱其為智能管理員代理Administrator Agent（簡記為AAgent）。

根據(jù)拓撲分析的任務(wù)選擇好各Agent后，進一步說明其之間的工作流程，即：對于每一個開關(guān)元件，配置一個獨立的、具有 GPS對時功能的 Magent，以一定的時間間隔采集其運行狀態(tài)（例如對圖1中每個元件配置一個MAgent，監(jiān)視其狀態(tài)），將帶有GPS時標(biāo)的狀態(tài)數(shù)據(jù)通過廠站局域網(wǎng)單向傳輸至AAgent；AAgent將接收到的MAgent數(shù)據(jù)保存至廠站數(shù)據(jù)庫，并能夠按 2.1節(jié)方法進行全連通矩陣計算、劃分連通片等邏輯計算；計算完成后，AAgent將廠站—邏輯節(jié)點—邏輯節(jié)點連接關(guān)系—電氣節(jié)點—輸電線路標(biāo)識上傳至黑板底層數(shù)據(jù)庫，并按一定的協(xié)調(diào)規(guī)則（3.2節(jié)提出）與其他廠站進行通信，具體的通信協(xié)調(diào)方法在第3部分詳細介紹。

3 基于黑板模型的網(wǎng)絡(luò)拓撲分析

黑板模型由 A.Newwell于 1962年提出[32]，它是一種高效通用的分布式求解工具，已在電力系統(tǒng)多個方面[33-35]得到應(yīng)用，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 黑板模型Fig.2 Blackboard model

圖2中的知識源是用于解決某個特定問題的獨立系統(tǒng)；黑板是一個公用數(shù)據(jù)庫，分為底層庫和高層庫，底層庫存放各知識源解，高層庫存放全局解；控制器制定協(xié)調(diào)策略，通過協(xié)調(diào)策略，各知識源可以訪問相關(guān)知識源底層庫中的信息，并將協(xié)調(diào)結(jié)果保存至高層庫。本文利用黑板模型這種分解協(xié)調(diào)的管理模式，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓撲分析。

3.1 網(wǎng)絡(luò)拓撲分析的黑板模型設(shè)計

為了使黑板模型用于網(wǎng)絡(luò)拓撲分析，設(shè)計其各部分功能如下：

（1）知識源。為各個獨立的廠站MAS，用于實現(xiàn)本地的拓撲分析。它通過 MAgent采集數(shù)據(jù)，AAgent進行拓撲分析，將分析結(jié)果保存至黑板底層庫相應(yīng)存儲區(qū)中。

（2）黑板。為一公共數(shù)據(jù)庫，有底層數(shù)據(jù)庫和高層數(shù)據(jù)庫，底層庫由多個存儲區(qū)組成，存放相應(yīng)廠站 AAgent上傳的拓撲分析結(jié)果。高層庫存放網(wǎng)絡(luò)拓撲分析的結(jié)果。

（3）控制器。本文稱其為智能協(xié)調(diào)代理 Coordinate Agent（簡記為CAgent）。在網(wǎng)絡(luò)拓撲分析前，需要制定廠站間通信和協(xié)調(diào)的規(guī)則，下發(fā)給各個廠站AAgent，各廠站依據(jù)此規(guī)則，實現(xiàn)廠站間拓撲協(xié)調(diào)。

3.2 廠站間拓撲分析的通信協(xié)調(diào)規(guī)則

由于每個知識源所代表的廠站拓撲相對獨立，而輸電線路兩端位于兩個不同的廠站，是廠站之間連接的橋梁。因此，本文以輸電線路為紐帶，提出黑板模型中控制器的通信協(xié)調(diào)策略：

（1）協(xié)調(diào)規(guī)則。首先對電網(wǎng)中每條輸電線路設(shè)定一個標(biāo)識，通過該標(biāo)識，具有輸電線路連接的兩個廠站 AAgent可以在黑板底層存儲區(qū)中查找對方相關(guān)信息。例如，若廠站A和B通過標(biāo)識為Lab的輸電線路連接，廠站A和B拓撲分析完成后，形成廠站—邏輯節(jié)點—電氣節(jié)點—輸電線路標(biāo)識映射表，通過輸電線路標(biāo)識所對應(yīng)的電氣節(jié)點號就能夠查找到相應(yīng)的邏輯節(jié)點等信息。

（2）通信規(guī)則。由于輸電線路連接的兩個廠站AAgent能夠互訪信息，而電網(wǎng)拓撲是無向圖，因此只要廠站 A（或廠站 B）訪問廠站B（或廠站A）就可實現(xiàn)拓撲協(xié)調(diào)，而無需互相訪問。因此為了消除冗余通信，提出單向通信規(guī)則，即：設(shè)兩個可以協(xié)調(diào)的廠站A和B，根據(jù)拓撲完成的先后順序，當(dāng)A先完成拓撲分析后，發(fā)消息通知B，使B完成拓撲分析后訪問A的拓撲結(jié)果。

3.3 網(wǎng)絡(luò)拓撲模型形成

各個廠站拓撲分析完成后，形成統(tǒng)一的映射表（廠站—邏輯節(jié)點—邏輯節(jié)點連接關(guān)系—電氣節(jié)點—輸電線路標(biāo)識映射表）存儲至底層庫。由于各廠站拓撲結(jié)果中邏輯節(jié)點編號只在本廠站范圍內(nèi)有效，為了形成全景電網(wǎng)拓撲模型，需要在網(wǎng)絡(luò)拓撲分析中將其形成系統(tǒng)節(jié)點，下面介紹形成系統(tǒng)節(jié)點的方法。

設(shè)全景電網(wǎng)共有N個廠站，在N個廠站并行拓撲分析過程中，設(shè)廠站B首先依據(jù)協(xié)調(diào)和通信規(guī)則訪問廠站A的拓撲結(jié)果，那么，從廠站B相應(yīng)邏輯節(jié)點開始進行系統(tǒng)節(jié)點編號，形成系統(tǒng)節(jié)點—廠站—邏輯節(jié)點—輸電線路標(biāo)識映射表，保存至黑板高層庫，然后對廠站A協(xié)調(diào)的相應(yīng)邏輯節(jié)點進行編號，并形成映射表。依次進行，在此過程中有以下兩種情況：

（1）若兩個相同廠站對應(yīng)邏輯節(jié)點有多條輸電線路連接，那么對應(yīng)邏輯節(jié)點只編號一次。

（2）若廠站 B的同一個邏輯節(jié)點與廠站 A、C對應(yīng)邏輯節(jié)點都有輸電線路連接，并且B、A協(xié)調(diào)時已經(jīng)完成系統(tǒng)節(jié)點編號，當(dāng)B與C協(xié)調(diào)時需要對已經(jīng)編號的系統(tǒng)節(jié)點進行檢驗，若已存在，則無需繼續(xù)編號，只需在相應(yīng)信息中添加輸電線路標(biāo)識，其他信息不變。

當(dāng)所有廠站協(xié)調(diào)結(jié)束后，在高層庫中形成完整的系統(tǒng)節(jié)點—廠站—邏輯節(jié)點—輸電線路映射表，根據(jù)該映射表，利用傳統(tǒng)的堆棧搜索技術(shù)[36]可以容易地得到系統(tǒng)節(jié)點—子系統(tǒng)映射表，確定各子系統(tǒng)，從而完成全景拓撲分析。

4 求解流程

本文方法的求解過程如圖3所示。

圖3 本文算法流程圖Fig.3 Flow chart of the algorithm

5 算例分析

本文采用如圖4所示的某實際電網(wǎng)進行仿真。該仿真系統(tǒng)有10個廠站、11條輸電線路和51個開關(guān)，包含3/2、雙母線分段和單母線等典型接線方式。電壓等級由 500kV、220kV、110kV、35kV和 10kV組成，在10kV變電站中接入了可再生能源發(fā)電。

本文使用Microsoft Visual Studio 2008編程工具和SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫進行算法實現(xiàn)。使用Visual Studio 2008多線程并行實現(xiàn)各個廠站的MAS拓撲分析，并使用消息機制實現(xiàn)線程之間的通信；SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫分別建有廠站庫、底層庫和該廠站共有 9個開關(guān) CB1～CB9，使用 MAgent2_1～MAgent2_9分別采集其運行狀態(tài)，并設(shè)置每20ms采集一次，傳輸至數(shù)據(jù)庫。

圖4 某實際電網(wǎng)一次接線圖Fig.4 Primary connection diagram of some real system

廠站 2管理員AAgent2根據(jù)圖 5，按照 2.1節(jié)方法得到以開關(guān)運行狀態(tài)為函數(shù)的全連通矩陣高層庫。廠站庫建有相關(guān)表，存放各廠站開關(guān)運行狀態(tài)；底層庫由各個廠站表組成，存放各廠站拓撲分析結(jié)果；高層庫存放網(wǎng)絡(luò)拓撲分析結(jié)果。

5.1 廠站拓撲分析

以圖4廠站2為例，說明本文MAS廠站拓撲分析方法，其電氣節(jié)點編號如圖 5所示。圖 5中，

圖5 廠站2電氣節(jié)點編號Fig.5 The junction number of substation 2

由于為對角陣，只寫出上三角元素，其元素表達式見表1。

表1 廠站2全連通矩陣元素表達式Tab.1 The formula of the complete connection matrix elements of substation 2

當(dāng)AAgent2獲得某時刻開關(guān)運行狀態(tài)

將其代入式（6），可以快速得到

對式（8）進行行掃描，可以得到：電氣節(jié)點1、2、3、4、5劃分為一連通片；電氣節(jié)點 6、7、8、9、10、11劃分為一連通片，每個連通片映射為一個邏輯節(jié)點，并將有阻抗元件的邊賦值為1，形成如圖6所示的拓撲分析結(jié)果。其中，L251、L252表示廠站2與廠站5連接的兩條輸電線路標(biāo)識；L23表示廠站2與廠站3連接的輸電線路標(biāo)識。

圖6 廠站2拓撲分析結(jié)果

表2 廠站2拓撲分析結(jié)果Tab.2 The topology analysis results of substation 2

該表表明了站內(nèi)邏輯節(jié)點之間的連接關(guān)系；對于有輸電線路連接的廠站間，通過輸電線路標(biāo)識查找對應(yīng)的邏輯節(jié)點、電氣節(jié)點等信息，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓撲分析。

5.2 網(wǎng)絡(luò)拓撲分析

在網(wǎng)絡(luò)拓撲分析之前，要給出網(wǎng)絡(luò)拓撲協(xié)調(diào)的規(guī)則，見表3，符號?表示信息可以互訪。

表3 協(xié)調(diào)規(guī)則Tab.3 The rule of coordination

由于各廠站拓撲分析是并行、異步進行的，各廠站完成拓撲分析的順序及協(xié)調(diào)過程見表4。

表4 網(wǎng)絡(luò)拓撲分析過程Tab.4 The coordination process of network topology

從表4中可以看出，廠站9首先對廠站7進行拓撲協(xié)調(diào)，以廠站9內(nèi)相應(yīng)邏輯節(jié)點開始形成系統(tǒng)節(jié)點—廠站—邏輯節(jié)點—輸電線路標(biāo)識映射，見表5。

表5 網(wǎng)絡(luò)拓撲分析結(jié)果Tab.5 The results of network topology analysis

根據(jù)表5得到的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)果，可以容易地形成系統(tǒng)節(jié)點—輸電線路映射表、系統(tǒng)節(jié)點—子系統(tǒng)映射表和輸電線路—子系統(tǒng)映射表等相關(guān)信息，并得到如圖7所示的全景拓撲模型。

圖7 全景拓撲模型Fig.7 The model of panorama topology analysis

5.3 拓撲跟蹤

上述拓撲分析過程可以視為初始時刻，在后續(xù)時刻，各廠站的 MAgent按照設(shè)定的時間間隔采集開關(guān)狀態(tài)，定時上傳至廠站數(shù)據(jù)庫，廠站 AAgent對此數(shù)據(jù)進行檢驗：若與上時刻狀態(tài)相同，則不進行拓撲分析；若與上時刻狀態(tài)不同，則按照 4.1節(jié)方法進行拓撲分析。由于各個廠站內(nèi)開關(guān)狀態(tài)是否變化只有本廠站知道，其他廠站無法獲得，因此仍然需要廠站間拓撲協(xié)調(diào)。

設(shè)在初始時刻后的某一時刻，廠站5開關(guān)5501由合位變?yōu)殚_位，其他開關(guān)不變化，其他廠站通過開關(guān)變位檢測后發(fā)現(xiàn)無狀態(tài)變化，因此無需拓撲分析，根據(jù)規(guī)則發(fā)送消息進行拓撲協(xié)調(diào)；廠站5通過檢測，需要進行拓撲分析，并進行廠站協(xié)調(diào)，過程見表6。

表6 拓撲跟蹤過程Fig.6 The process of topology tracking

拓撲協(xié)調(diào)完成后，根據(jù)系統(tǒng)節(jié)點—廠站—邏輯節(jié)點—輸電線路標(biāo)識映射表等信息得到如圖8所示的模型。

圖8 拓撲跟蹤結(jié)果Fig.8 The results of topology tracking

6 結(jié)論

未來電網(wǎng)“雙向潮流”運行與調(diào)控時需要統(tǒng)籌發(fā)、輸、配、用問題，因此必須獲取電網(wǎng)的全景拓撲。由于電網(wǎng)全景拓撲是分散管理的，因此，本文在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上提出了分散協(xié)調(diào)的電網(wǎng)全景拓撲分析方法，并以實際系統(tǒng)為例進行了驗證，結(jié)論如下：

（1）從電網(wǎng)全景拓撲層面上講，廠站拓撲信息是分散管理的，利用分散協(xié)調(diào)的拓撲分析方法是可行的。

（2）廠站拓撲分析可以分散、獨立地進行，但廠站之間又有關(guān)聯(lián)性，把握分散協(xié)調(diào)規(guī)則對于實現(xiàn)廠站拓撲分析和網(wǎng)絡(luò)拓撲分析有益。

本文從最基本的角度，提出并實現(xiàn)了電網(wǎng)全景拓撲分析，在此基礎(chǔ)上，下一步將細致地研究全景環(huán)境下電網(wǎng)“雙向潮流”的基本分析和調(diào)控理論。

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